新能源汽車的驅(qū)動和傳動系統(tǒng)概述

新能源汽車的驅(qū)動和傳動系統(tǒng)概述0引言隨著時代的進(jìn)步和科技的發(fā)展，日益嚴(yán)格的排放和燃料效率的標(biāo)準(zhǔn)促進(jìn)了安全、清潔和高效的新能源汽車的發(fā)展。新能源汽車主要類型分為電動汽車、混合動力電動汽車和燃料電池汽車，在本文里將具體介紹新能源汽車的傳動系統(tǒng)方案。1純電動汽車傳動方案1.1機(jī)械傳動系統(tǒng)方案早期的電動汽車采用電動機(jī)為牽引裝置，應(yīng)用電動機(jī)驅(qū)動裝置和蓄電池組件替代內(nèi)燃機(jī)和燃油箱，而保留了所有的其他組件，包括離合器、變速器、主減速器、差速器和傳動軸等。這種與傳統(tǒng)方案相似的傳動系統(tǒng)由于采用了傳統(tǒng)汽油汽車的變速器，檔位較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此基本都采用控制簡單，轉(zhuǎn)矩小，轉(zhuǎn)速高的驅(qū)動電機(jī)來滿足汽車在不同工況下的行駛要求。傳統(tǒng)汽車傳動方案已經(jīng)趨于成熟，電動汽車采用機(jī)械傳動系統(tǒng)時可直接在現(xiàn)有成熟底盤上直接用電動機(jī)替換發(fā)動機(jī)，設(shè)計(jì)周期短，改動小，造價(jià)低，現(xiàn)有技術(shù)條件就可以批量化生產(chǎn)，但是這種傳動系統(tǒng)零部件多、較大的電動汽車總質(zhì)量和較低的傳動效率，很難滿足電動汽車的使用性能要求和整體設(shè)計(jì)，不能充分發(fā)揮電動汽車的優(yōu)勢，因此這種傳動系統(tǒng)方案只在早期的電動汽車上采用，現(xiàn)在已逐步被取代。1.2機(jī)電集成式傳動系統(tǒng)方案這種傳動方案將電動機(jī)和傳動系統(tǒng)集成在一起，由半軸、差速器和單級減速器組成。其中減速器選用傳動比為8—16的2K—H型雙排式的行星齒輪機(jī)構(gòu)，主要友行星輪，太陽輪，外齒圈組成。這種傳動系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、承載能力大、抗沖擊和振動能力強(qiáng)、工作平穩(wěn)、壽命長的優(yōu)點(diǎn)。但大功率高速行星齒輪傳動結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，要求制造精度高。行星齒輪傳動中有些類型效率高，但傳動比不大。另一些類型則傳動比可以很大，但效率較低，用它們作減速器時，其效率隨傳動比的增大而減小。行星減速機(jī)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)原因，單級減速最小為3，最大一般不超過10，常見減速比為：3.4.5.6.8.10，減速機(jī)級數(shù)一般不超過3，但有部分大減速比定制減速機(jī)有4級減速。相對其他減速機(jī)，行星減速機(jī)具有高剛性，高精度(單級可做到1分以內(nèi))，高傳動效率(單級在97％一98％)，高的扭矩／體積比，終身免維因?yàn)檫@些特點(diǎn)，行星齒輪減速七可用來降低轉(zhuǎn)速，提升扭矩，匹配慣量。這種沒有傳動軸結(jié)構(gòu)緊湊的傳動方案，方便其他總成的布置，但是整車的通過性變差，維修不便。按集成型式來分類，機(jī)電集成式傳動系統(tǒng)常見有兩種結(jié)構(gòu)：一種傳動系統(tǒng)直接與驅(qū)動電機(jī)輸出軸連接，驅(qū)動橋軸線與驅(qū)動電機(jī)輸出軸軸線垂直，是通過圓錐齒輪使旋轉(zhuǎn)方向改變；另一種是整體驅(qū)動橋驅(qū)動系統(tǒng)，就是把半軸安裝在空心的驅(qū)動電機(jī)輸出軸里面，其一端通過螺栓與驅(qū)動輪輪轂連接，另一端半軸齒輪內(nèi)花鍵連接，這種無需改變動力傳遞方向橫置的驅(qū)動電機(jī)機(jī)構(gòu)更加緊湊，但要求零件剛度、強(qiáng)度大，裝配與加工精度高，具有良好的通用性和互換性。1.3電動輪傳動系統(tǒng)電動汽車輪轂式傳動方式是在車輪輪轂中直接安裝電機(jī)，使用高于傳統(tǒng)電動機(jī)常規(guī)電壓的寬范圍系列階梯電壓來驅(qū)動特制的輪轂電機(jī)車輪，可以在一定范圍內(nèi)有效地解決當(dāng)前研制電動汽車的這一難點(diǎn)，從而加速現(xiàn)代電動汽車早日大批量使用，造福于人類。輪轂電動機(jī)汽車由于其特殊的結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的幾大總成都可以省略，整車結(jié)構(gòu)比的相對簡單，傳動效率也大大提高，配備現(xiàn)代電子控制技術(shù)即可滿足道路行駛的需要。輪轂式驅(qū)動傳動系統(tǒng)大多采用低速外轉(zhuǎn)子和高速內(nèi)轉(zhuǎn)子電動機(jī)，這樣對應(yīng)著直接驅(qū)動式和帶輪邊減速器兩種形式。直接驅(qū)動式電動汽就是直接在車輪輪輞上安裝了外轉(zhuǎn)子，這樣變速機(jī)構(gòu)就可以省略了，車輪和電機(jī)組成了一個總成驅(qū)動汽車行駛。這種系統(tǒng)主要的特點(diǎn)是電機(jī)集成度高，體積小，機(jī)構(gòu)緊湊，整車布置相對容易，受限制較少。安裝高速內(nèi)轉(zhuǎn)子電機(jī)的電動汽車，必須在車輪輪輞和電機(jī)輸出軸之間安裝固定速比的減速器。行星齒輪減速器的速比高，得到了較廣的應(yīng)用。這種電機(jī)設(shè)計(jì)的最高轉(zhuǎn)速一般約在4000Or／min-2OOOOr／min之間，目的是為了獲得較高的比功率。行星齒輪機(jī)構(gòu)由于其緊湊性的，使得采用高速內(nèi)轉(zhuǎn)子的驅(qū)動系統(tǒng)比外轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在功率密度方面占有明顯優(yōu)勢，另外內(nèi)轉(zhuǎn)子式更有利于汽車輕量化已經(jīng)改善空氣動力性，結(jié)構(gòu)更加緊湊，維修更加方便。輪轂式驅(qū)動傳動系統(tǒng)電機(jī)的特點(diǎn)是：整車結(jié)構(gòu)簡單，大量減小了整車尺寸和質(zhì)量，改善了空氣動力性，降低了生產(chǎn)成本，簡化了整車結(jié)構(gòu)；輪轂電動機(jī)汽車省略了傳統(tǒng)的離合器、變速器、主減速器及差速器等部件；傳動效率較高，完全省略傳動的傳動裝置，便于實(shí)現(xiàn)四輪驅(qū)動型式，整體動力利用效率高；電動輪轂相對獨(dú)立、封閉，不會受到其他部分的干擾，可靠性好；輪轂電機(jī)整車總布置采用扁平化的底盤結(jié)構(gòu)型式，車內(nèi)空間和布置自由度得到極大的改善；線控驅(qū)動、線控制動的整車動力學(xué)集成控制，提高整車的主動安全性。2混合動力電動汽車傳動方案混合動力汽車（HybridPowerAutomobile)的傳動系統(tǒng)是指車上裝有兩個以上動力源：蓄電池、燃料電池、太陽能電池、內(nèi)燃機(jī)車的發(fā)電機(jī)組，當(dāng)前復(fù)合動力汽車一般是指內(nèi)燃機(jī)車發(fā)電機(jī)，再加上蓄電池的汽車傳動系統(tǒng)。2.1串聯(lián)混合方式串聯(lián)式混合動力傳動系統(tǒng)由發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)和電動機(jī)三部分動力總成組成，它們之間用串聯(lián)方式組成SHEV動力單元系統(tǒng)，發(fā)動機(jī)驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電，電能通過控制器輸送到電池或電動機(jī)，由電動機(jī)通過變速機(jī)構(gòu)驅(qū)動汽車。小負(fù)荷時由電池驅(qū)動電動機(jī)驅(qū)動車輪，大負(fù)荷時由發(fā)動機(jī)帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電驅(qū)動電動機(jī)。當(dāng)車輛處于啟動、加速、爬坡工況時，發(fā)動機(jī)、電動機(jī)組和電池組共同向電動機(jī)提供電能；當(dāng)電動車處于低速、滑行、怠速的工況時，則由電池組驅(qū)動電動機(jī)，當(dāng)電池組缺電時則由發(fā)動機(jī)．發(fā)電機(jī)組向電池組充電。串聯(lián)式結(jié)構(gòu)適用于城市內(nèi)頻繁起步和低速運(yùn)行工況，可以將發(fā)動機(jī)調(diào)整在最佳工況點(diǎn)附近穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，通過調(diào)整電池和電動機(jī)的輸出來達(dá)到調(diào)整車速的目的。使發(fā)動機(jī)避免了怠速和低速運(yùn)轉(zhuǎn)的工況，從而提高了發(fā)動機(jī)的效率，減少了廢氣排放。它的缺點(diǎn)是能量幾經(jīng)轉(zhuǎn)換，機(jī)械效率較低。2.2并聯(lián)混合方式并聯(lián)混合傳動方式有同軸和異軸并聯(lián)混合方式，其中同軸混合方式電機(jī)通過差動齒輪和減速器驅(qū)動前或后輪軸，電機(jī)通過自動離合器與發(fā)動機(jī)同軸安裝，如圖5所示。汽車在啟動以及室內(nèi)工況行駛時候，電池通過逆變器想電動機(jī)供電，在復(fù)雜的工況行駛時，通過離合器接通，內(nèi)然機(jī)來驅(qū)動輪軸，這時電動機(jī)通過逆變器給電池充電。在高速重負(fù)荷行駛時，內(nèi)燃機(jī)和電動機(jī)同時驅(qū)動輪軸，這樣可以獲得較高的驅(qū)動功率。異軸并聯(lián)復(fù)合方式是前后輪軸分別由不同的能源驅(qū)動，比如前輪軸由電池組通過逆變器供電的電機(jī)驅(qū)動，后輪軸由燃油發(fā)動機(jī)直接驅(qū)動。這兩種動力系統(tǒng)時通過汽車的控制系統(tǒng)根據(jù)不同工況合理分配交替使用或者同時驅(qū)動，來獲得最優(yōu)化的驅(qū)動模式和最低的消耗以及排放。2.3混聯(lián)式動力系統(tǒng)混聯(lián)式動力系統(tǒng)的特點(diǎn)在于內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)和電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)各有一套機(jī)械變速機(jī)構(gòu)，兩套機(jī)構(gòu)或通過齒輪系。或采用行星齒輪式結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起，從而綜合調(diào)節(jié)內(nèi)燃機(jī)與電機(jī)之間的轉(zhuǎn)速關(guān)系。與并聯(lián)式混合動力系統(tǒng)相比，混聯(lián)式動力系統(tǒng)可以更加靈活的更具工況來調(diào)節(jié)內(nèi)燃機(jī)的功率輸出和電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。缺點(diǎn)是系統(tǒng)較復(fù)雜，成本較高。豐田普銳斯第三代混合動力系統(tǒng)THⅢ就是屬于混聯(lián)系統(tǒng)，他是雙電機(jī)（發(fā)電機(jī)+牽引電機(jī)）系統(tǒng)。采用了動力分配機(jī)構(gòu)（行星齒輪機(jī)構(gòu)），將來自發(fā)動機(jī)輸出扭矩分配給驅(qū)動車輛和發(fā)電兩個方向的路線上，故能分別對電機(jī)和發(fā)動機(jī)的功率進(jìn)行控制。3燃料電池汽車的傳動方案燃料電池汽車是電動汽車的一種。燃料電池發(fā)出的電,經(jīng)逆變器、控制器等裝置,給電動機(jī)供電,再經(jīng)傳動系統(tǒng)、驅(qū)動橋等帶動車輪轉(zhuǎn)動,就可使車輛在路上行駛,燃料電池的能量轉(zhuǎn)換效率比內(nèi)燃機(jī)要高2-3倍。燃料電池的化學(xué)反應(yīng)過程不會產(chǎn)生有害產(chǎn)物,因此燃料電池車輛是無污染汽車。隨著對汽車燃油經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保的要求,汽車動力系統(tǒng)將從現(xiàn)在以汽油等化石燃料為主慢慢過渡到混合動力,最終將完全由清潔的燃料電池車替代。燃料電池汽車的運(yùn)行并不是一個穩(wěn)態(tài)情況,頻繁的啟動、加速和爬坡使得汽車動態(tài)工況非常復(fù)雜。燃料電池系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)比較慢,在啟動、急加速或爬陡坡時燃料電池的輸出特性無法滿足車輛的行駛要求。在實(shí)際燃料電池汽車上,常常需要使用燃料電池混合電動汽車設(shè)計(jì)方法,即引入輔助能源裝置(蓄電池、超級電容器或蓄電池十超級電容器)通過電力電子裝置與燃料電池并網(wǎng),用來提供峰值功率以補(bǔ)充車輛在加速或爬坡時燃料電池輸出功率能力的不足。另一方面,在汽車怠速、低速或減速等工況下,燃料電池的功率大于驅(qū)動功率時,存儲富余的能量,或在回饋制動時,吸收存儲制動能量,從而提高整個動力系統(tǒng)的能量效率。3.1動力電池輔助能源系統(tǒng)目前鉛酸電池由于比能量及比功率均較低,已經(jīng)淘汰。在汽車上常用的動力蓄電池主要有鎳氫電池和鋰離子電池等。鎳氫電池屬于堿性電池,具有不易老化,無需預(yù)充電以及低溫放電特性較好等優(yōu)點(diǎn)。其能量密度可超過80Wh/kg,一次充電的行駛距離長,在大電流工作時能夠平穩(wěn)放電。但鎳氫在高溫環(huán)境下,電池電荷量會急劇下降,并且具有記憶效應(yīng)和充電發(fā)熱等方面的問題。在燃料電池混合動力系統(tǒng)中鎳氫電池SOC應(yīng)保持在40%-60%之間,充放電電流應(yīng)處于160-240A的范圍,溫度應(yīng)維持在常溫附近,以確保系統(tǒng)安全性和經(jīng)濟(jì)性。鋰離子電池具有體積小,能量密度高(>120Wh/kg)、高安全性和無污染性等優(yōu)點(diǎn)。離子電池的能量密度是鎳氫電池的1.5-3倍。其單體電池的平均電壓為3.2V,相當(dāng)于3個鎳鋅或鎳氫電池串接起來的電壓值,因而能夠減少電池組合體的數(shù)量,降低單體電池電壓差所造成的電池故障發(fā)生概率,從而提高了電池組的使用壽命。鋰離子電池具備自放電低(僅為5%-10%)的優(yōu)點(diǎn),當(dāng)在非使用狀態(tài)下貯存,內(nèi)部相當(dāng)穩(wěn)定,幾乎不發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng)。由于鋰離子電池不含有鎘、汞和鉛等重金屬,因而在使用過程中不會對環(huán)境造成污染。對于電動汽車而言,鋰離子電池易于車載布置安裝,是較為理想的能量存儲媒介。3.2超級電容系統(tǒng)超級電容器是一種新型儲能元件,它既像靜電電容一樣具有很高的放電功率,又像電池一樣具有很大的電荷儲存能力，由于其放電特性與靜電電容更為接近,所以仍然稱之為“電容”。如果僅采用超級電容作為唯一輔助能源還存在諸多不足之處,如:電動汽車長時間停機(jī)后再次啟動,由于超級電容的自放電效應(yīng),在燃料電池的能量輸出尚未穩(wěn)定時車載輔助系統(tǒng)的供電將無法保障。況且超級電容能量密度很低,